配筋路面结构优化设计研究

来源:用户上传      作者: 刘静爽

　　摘 要：以银英公路这一重载交通较大的省道为工程实例，对部分路基强度不足路段路面结构优化进行了设计，分析了路面设计方案，对其路面结构进行了讨论，得出配筋方案设计。
　　关键词：连续配筋混凝土路面；路面结构优化设计；配筋方案设计
　　1 工程概况
　　银英公路设计标准为省道主干线，为改扩建道路，是英德市主要干道之一，其建成后对于其经济发展非常重要。道路主要技术指标：（1）道路等级：四车道二级公路；（2）计算行车速度：40公里/小时；（3）路基、路面宽度：路基宽度17米，路面宽度14米；（4）路面等级：连续配筋混凝土高级路面；（5）设计荷载及参数；自然区划：Ⅳ7；设计标准轴载：BZZ-100；设计基准期：30年；标准轴载累计作用次数：5.0×107。
　　2 路面结构优化设计
　　2.1 路面设计方案
　　我国规范规定：连续配筋混凝土路面的纵向配筋设计要求符合下面三项设计标准：
　　（1）混凝土面层横向裂缝的平均间距为1.0～2.5m；（2）裂缝最大宽度为1mm；（3）钢筋的最大拉应力不超过钢筋的屈服强度。
　　拟建道路采用强夯法地基处理后采用连续配筋混凝土路面（简称CRCP）路面方案，路面结构组合：28cm连续配筋混凝土面层+0.05cm沥青下封层、基层采用20cm 6.0%水泥稳定砂砾基层+16cm 5.5%水泥稳定砂砾底基层+15cm级配碎石垫层+处理路基。配筋方案：布设单层钢筋网：纵、横钢筋均采用HPB335；纵向钢筋直径采用20mm，纵向配筋率采用0.7%；横向钢筋直径采用12mm，钢筋间距采用70cm；钢筋采用HPB335螺纹钢筋；端部采用地梁锚固结构形式。路面结构预留5m的横向切缝，切缝宽度达到3～5mm。
　　2.2 路面结构优化设计
　　2.2.1 路面结构优化设计
　　针对银英公路路面结构建立有限元模型分析路面结构组合的受力情况，依据设计资料路面结构分为四层，各结构层层间连续。ABAQUS建模参数：混凝土面板厚度h1=0.28cm，模量E1=30GPa、泊松比μ1=0.15、密度2400kg/m3、导热系数1.5W/（m・K）、比热容0.980KJ/Kg°C；基层厚度h2=20cm、模量E2=1800GPa、泊松比μ2=0.20；底基层厚度h3=16cm、模量E3=1600GPa、泊松比μ3=0.20；垫层厚度h4=15cm、E4=500GPa、泊松比μ4=0.25；土基模量E5=100MPa、泊松比μ5=0.28；纵向钢筋：配筋率0.7%、直径d1=20mm、间距a1=20.5cm模量E6=210GPa、泊松比μ6=0.10；横向钢筋：直径d2=12mm；间距a2=70cm、模量E7=210GPa、泊松比μ7=0.10；钢筋采用HPB335螺纹钢筋；荷载类型选用BZZ-100单轴双轮组标准荷载，调查资料计算累计轴载次数为5.4×107次，依据规范可知属于特重交通，荷载作用最不利荷位处，调查表明裂缝间距L=5m，裂缝宽度l=5mm；温度应力计算时最大温度梯度值取Tg=90（°C/m）。
　　由表1计算结果可知，依据公路水泥混凝土路面规范在行车荷载和温度梯度综合作用下，不产生疲劳断裂作为设计标准，在标准轴载作用下组合路面结构应力值临近路面疲劳破坏的临界值。在超载20%轴载作用下，路面结构结合应力值超过路面疲劳破坏的临界值，路面结构可能发生破坏。调查资料显示银英公路作用英德市主要干道之一，其交通量大且属于递增状态，超载情况也存在，路面在使用年限内，可能发生破坏，进行路面设计时路面结构应有一定的强度储备，主要从路面结构组合及配筋方面进行优化。
　　2.2.2 配筋方案设计
　　合理的配筋设计，能够有效的提高使路面结构形成整体，提高路面受力性能，同时能够抑制路面前期裂缝的扩展及运营中新裂缝的产生，使路面行车舒适。银英公路CRCP路面配筋设计依据公路水泥混凝土设计规范以裂缝间距及宽度为作为配筋设计指标，计算得到其配筋方案：纵向钢筋配筋率0.7%、直径d1=20mm，a1=20.5cm；横向钢筋直径d2=12mm、间距a2=70cm；钢筋采用HPB335螺纹钢筋；依据有限元计算结果，对银英公路CRCP路面配筋设计作如下讨论：
　　（1）依据标准轴载及超载20%轴载作用下CRCP路面结构疲劳应力计算结果可知，在路面使用年限内，路面结构可能发生破坏。除路面结构组合进行优化外，配筋设计优化也是重要方面之一。
　　（2）银英公路纵向钢筋直径采用20mm，且配筋率为0.7%，计算其钢筋间距为20.5cm，而横向钢筋直径采用12mm，钢筋间距为0.7cm；依据前述结论，纵、横向钢筋形成的钢筋网间距过大，减少了钢筋与混凝土之间的握裹面积，减弱了钢筋对混凝土的约束。不利于结构受力。研究表明横向钢筋除起支撑作用外，还参与结构受力，横向钢筋直径与纵向钢筋直径差距较大，在荷载反复作用下钢筋可能会受力不均匀，在纵、横钢筋搭接处会产生应力集中，易产生新裂缝及扩展。
　　（3）施工资料显示：CRCP路面施工时进行了预留切缝，裂缝宽度较大，预留切缝的处理尤为重要，钢筋施工时应进行防锈处理减少因钢筋及混凝土的腐蚀，而导致路面结构破坏。
　　3 结束语
　　水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、耐久性好等特点。同时在交通量大、轴载加重及路基不稳定等外界不利因素的作用下，水泥混凝土路面板易发生脆性破坏；银英公路采用CRCP路段，经过五年多运营，路面状况良好。
　　参考文献
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　　作者简介：刘静爽（1982，4-），女，广东普宁人，工程师，研究方向为公路线形设计。
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